Die Forschungslandschaft im Bereich der Lithium-Ionen-Technologie entwickelt sich durch neue Innovationen stetig weiter. Im folgenden Quartalsbericht wird ein Einblick in aktuelle Forschungsthemen, neue Materialentwicklungen und alternative Zellkonzepte für die Technologieschwerpunkte Batteriechemie, Batterieproduktion & Digitalisierung und Batterierecycling gegeben.

Die Forschungslandschaft zu Lithium-Ionen-Batterien entwickelt sich laufend weiter. Mit dem nachfolgenden Summary Briefing möchten wir Ihnen ausgesuchte, jüngere Entwicklungen aus dieser Landschaft vorstellen. Unsere Einschätzung zu deren Bedeutung findet sich in ergänzenden, ausgewählten Punkten unter Chancen und Herausforderungen, die als Anregung zu verstehen und nicht vollständig sind. Bei Interesse an einer tieferen Diskussion stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung

Fraunhofer Institut für Keramische Technologen und Systeme

Am St.-Niclas-Schacht 13 | 09599 Freiberg
Ansprechpartner: Dr. Christian Kensy
Tel.: +49 (0) 3731 2033-158
E-Mail: christian.kensy@ikts.fraunhofer.de

• Batteriechemie
• Weiterentwicklungen an der Anode in Lithium-Ionen-Batterien
• Weiterentwicklungen der Technologie der Lithium-Ionen-Festkörperbatterie
• Batteriechemie & Produktion
• Signifikanz von Qualitätssicherung in der Batterieproduktion 
• Heatmap of Quality – Die qualitativen Problemstellen der Batteriezellproduktion
• Fehlerbilder der Batteriezellproduktion
• Digitalisierung in der Batterieproduktion
• Automatisierte Defekterkennung – Batterieelektroden
• Qualitätskontrolle – Mikroverbinder in Batterien
• Oberflächendefekterkennung – Lithiumbatterien
• Batterierecycling
• Prozesse und techno-ökonomische Bewertung
• Direct Recycling
• Re-X
• Literatur 

Im Lithium-Ionen-Batteriesystem stellt die Transportlimitierung und damit die gleichmäßige Diffusion von Lithium-Ionen durch die Elektrodenschichten eine der größten Herausforderungen dar, was sich auf aktuell und zukünftige Anforderungen wir höhere Energiedichten und Schnellladefähigkeit negativ auswirkt. [1]

Um den Li⁺-Transportproblemen entgegenzuwirken präsentieren Gottschalk et al. (TU Braunschweig) die Anwendung eines zweischichten Anodensystems, wobei sphärischer Graphit mit einer Partikelgrößenvariation (x₅₀ = 18 μm; x₅₀ = 11 μm) verwendet wurde. So entsteht innerhalb der Elektroden ein definiertes Porennetzwerk, welches die Ionendiffusion verbessert und somit eine verbesserte Schnellladefähigkeit erzielt wird. Anhand der Untersuchung der Anode konnte festgestellt werden, dass Rußpartikel und Binder während der Herstellung der zweischichtigen Anoden in das bestehende Gerüst der unteren Schicht transportiert werden und zu lokalen Verdichtungen zwischen den Elektrodenschichten führen. Darüber hinaus wird mit Hilfe der Impedanzspektroskopie ein reduzierter Ionenwiderstand bzw. Tortuosität aufgrund von Absorptionseffekten beobachtet, was sich positiv auf die Anodenleistung sowie Langzeitstabilität der Zelle auswirkt. Diese Studie zeigt, dass die

Partikelgröße des Graphits nur einen geringfügigen Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften hat, wohingegen die sequenzielle Herstellung von zweischichtigen Anoden die Elektrodeneigenschaften und die Zellleistung von Lithium-Ionen-Batterien erheblich beeinflussen. [1]

POTENTIALE:

Diese Studie bietet einen weiteren Einblick für die sequenzielle Herstellung von Mehrschichtanoden und zeigt deren positiven Einfluss auf die Li⁺-Ionendiffusion bzw. Zellperformance.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die Integration bzw. Umsetzung in bestehende Elektrodenproduktionslinien wird eine große Herausforderung sein, da entweder bestehende Anlagen umgebaut oder zusätzliche Trocknungs-strecken/-kanäle implementiert werden müssen.

Das Verfahren der Prälithiierung ist ein vielversprechender Lösungsansatz, um Anodenaktivmaterialien mit hoher Kapazität wie Silizium in Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation realisieren zu können. Allerdings stellen die Integration dieser Methode in bestehende Prozesskatten und vor allem die Stabilität von vorlithiierten Elektroden gegenüber Feuchtigkeit noch große Herausforderungen dar. [2]

Eine Kooperation von Forschern der TU Braunschweig und JLU Gießen haben den Einfluss des Feuchtigkeitsgrades auf die elektrochemische Leistung von prälithiierten Graphit/SiOx-Verbundanoden von in Halb- und Vollzellen untersucht. Dabei wurden verschiedene Taupunkte (‑60 °C, -40 °C, -20 °C) für die Feuchtigkeits-exposition betrachtet. Für die Degradation der Elektroden werden mehrere Indikatoren, z. B. erhöhte Leerlaufspannung, reduziertes Lithiierungspotential des Graphits und abweichende Werte für die spezifische Lade-/Entladekapazität, identifiziert. Die Degradationsmechanismen werden mit einer Vielzahl an Analysenmethoden charakterisiert, wobei zwar erhöhte Grenzflächenwiderstände in

Bezug auf die Passivierungsschicht der Anode, der sogenannten SEI (solid electrolyte interface) beobachtet werden konnten, aber keine eindeutigen Hinweise auf SEI-Degradation festzustellen sind. Als Resultat konnte ein Prozessfenster für den untersuchten Zellaufbau (Kathode: NCM622, Anode: Graphit/SiO_x, Elektrolyt: 1 M LiPF₆ in EC:EMC (3:7 in Gew%) + 2 Gew% VC + 10 Gew% FEC) definiert werden, sodass bei einer Expositionszeit von ca. 1 h und Taupunkten bis zu ‑40 °C gute Stabilitäten erzielt werden. [2]

POTENTIALE:

Hiermit konnte gezeigt werden, dass für den untersuchten Zellaufbau mit prälithiierten Anoden keine extremen Trockenraumbedingungen (-60 °C) notwendig sind, wodurch Kosteneinsparungen in der Elektroden- sowie Zellproduktion möglich wären.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die Übertragung und Verifizierung der Ergebnisse auf weitere Elektrodenmaterialien, im Speziellen für Kathoden mit höheren Nickelanteil, bzw.

Zellkonzepte sollte in weitere Studien aufgegriffen werden.

Im folgenden Abschnitt werden neue Innovation im Bereich der sulfidbasierten Festkörperbatterie vorgestellt, d. h. der Agryodit-Typ (Li₆PS₅Cl) wird als Festelektrolyte verwendet.

Eine oft übersehende Gruppe für Anodenaktivmaterialien in Festkörperbatterien sind Konversions-/Legierungsmetalle (z. B. SnO₂ (Zinn(IV)-oxid), obwohl diese Materialien hohe spezifische Kapazitäten besitzen (SnO₂: 1494 mAh g⁻¹) und auch eine schnelle Lithium-Ionen-Diffusion bzw. Reaktionskinetik gewährleisten können. Häufig werden Konversions-/Legierungsmetalle als Keim- oder Zwischenschicht für eine homogene Li-Abscheidung oder zur Abschwächung der SEI-Bildung bzw. verringertes Wachstum der Passivierungsschicht verwendet. [3]

Die Forschungsgruppe von Jürgen Jannek (JLU Gießen) stellt eine Studie vor, in der vier verschiedene Aktivmaterialien aus Konversionslegierungen (SnO₂, Sn_0.9Fe_0.1O₂, ZnO, Zn_0.9Fe_0.1O) synthetisiert und als negative Kompositelektroden in Festkörperbatterien analysiert werden. Für die elektrochemische Charakterisierung wird ein konstanter Druck von 40 MPa angewendet. Hierbei hat sich herausgestellt, dass aufgrund der Fe-Substitution in die Legierungsmetallen eine verstärkte Zersetzung des sulfidbasierten Agryodit-Festelektrolyten zu LiCl, Li₂S und Li₃P an der Anode beobachtet wird. Darüber hinaus konnte eine 2D-Folienelektrode aus SnO₂ entwickelt und im Festkörperbatterieaufbau elektrochemisch analysiert werden. Gegenüber dem 3D-Elektroden-/Zellaufbau sind für die 2D-Anode reduzierte Degradationsprozesse an den Grenzflächen festgestellt worden, wodurch eine verbesserte C-Rate-Leistung (Faktor 3) sowie Zyklenstabilität (Faktor 2,3) erzielt wird. [3]

POTENTIALE:

Die Anwendung von Konversions-/Legierungsmetallen als Anodenmaterial in Festkörperbatterien ist ein guter Ansatz, um herkömmliche flüssigbasierte Lithium-Ionen-Batterien in den zunehmenden Anforderungen wie höhere Energiedichte ablösen zu können.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die Ergebnisse dieser Studie wurden ausschließlich in Halbzellen unter Verwendung einer Legierung aus Indium-Lithium als Gegenelektrode (vs. InLi/Li⁺) im kleinen Maßstab erzielt. Die Übertragung in Vollzellen sowie die Analyse in größeren Zellformate (z. B. Pouchzellen) sollte in zukünftigen Forschungsarbeiten aufgegriffen werden.

Im Vergleich zu anderen Festelektrolytklassen (oxidbasiert, polymerbasiert, Polymer-/Keramikverbundstoffe), weisen sulfidbasierte Elektrolyte sehr hohe Ionenleitfähigkeiten auf. Jedoch stellt die hohe Reaktivität von Sulfiden eine große Herausforderung für die Batteriezellenherstellung dar, verschiedene Reaktionsprodukte die Leistung der Batterie beeinträchtigen und an Umgebungsatmosphäre giftiger Schwefelwasserstoff (H₂S) entsteht. Somit ist eine materialspezifische und wirtschaftliche Konditionierung der Prozessatmosphäre erforderlich. [4]

In der Studie von Scharmann et al. wird die Schwefelwasserstoffbildung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Produktionsatmosphären an sulfidischen Festelektrolyten präsentiert. Hierbei werden Sulfidseparatoren mit Hilfe eines innovativen Versuchsaufbaus verschiedene Atmosphären (Argon, synthetische Luft) mit definierten Bedingungen Taupunkten von -60 bis +20 °C) ausgesetzt, was eine Korrelation mit dem jeweils entstehenden Schwefelwasserstoff ermöglicht. Es werden hohe H₂S-Bildungsraten bei Taupunkten oberhalb von ‑40 °C mit konstanter Luftzirkulation beobachtet. Diese Ergebnisse konnte anhand der irreversiblen morphologischen Materialveränderungen der Sulfidseparatoren verdeutlicht werden. Zusammenfassend ist eine genauere Analyse im Umgang mit Festkörperbatteriematerialien unter realen bzw. kontrollierbaren Bedingungen möglich und daraus kann eine wirtschaftlich geeignete und materialabhängige Atmosphäre für die Festkörperbatterieherstellung abgeleitet werden. [4]

POTENTIALE:

Anhand dieser Forschungsdaten können Versuchsstände für sulfidbasierte Festkörperbatterien entwickelt werden, welche die notwendigen Bedingungen unter wirtschaftlichem Aspekt bereitstellen.

HERAUSFORDERUNGEN:

Da in der Studie nur Argon- und synthetischen Luftatmosphären betrachtet wurden, sollten in weiteren Untersuchungen auch die Auswirkungen von weiteren Gasen wie Stickstoff oder Sauerstoff untersucht werden, um reale Bedingungen von zukünftigen Produktionsstätten simulieren zu können.

Die Erhöhung der spezifischen Kapazität bzw. der elektrochemischen Leistung von Thiophosphat-Verbundkathoden stellt die Forschung noch vor große Herausforderungen, um flüssigbasierte LIB durch sulfidbasierte Festkörperbatterien ablösen zu können. Eine Schlüsselrolle spielen die geschwindigkeitsbeschränkenden Mechanismen innerhalb der Kathode, weswegen mehr Erkenntnisse für die Ladungstransportkinetik dieses Zellsystems notwendig sind. [5]

Am Fraunhofer IKTS haben Wissenschaftler die resistive und diffusive Geschwindigkeitsbegrenzung von NCM811-Li₆PS₅Cl-Kathoden, welche unterschiedliche Morphologie und Zusammensetzungen aufweisen, anhand verschiedener quantitativer elektrochemischer Analysenmethoden untersucht. Außerdem werden separaten Messungen für die effektive Ionenleitfähigkeit und der Li⁺-Diffusionskoeffizienten dargestellt. Durch die Erhöhung des Verhältnisses zwischen Kathodenaktivmaterial (KAM) und Festelektrolyt (FE) werden größere Diffusionsbeschränkungen beobachtet, die auf die kleinere Kontaktfläche zwischen dem KAM und FE zurückgeführt wird. Besonders hohe Diffusionslimitierungen werden bei NCM811-Einkristallkathoden mit über 84% KAM-Anteil festgestellt. Mit Hilfe von feinteiligem Festelektrolyten mit geringerer Partikelgröße wird nicht nur die KAM-FE-Kontaktfläche verbessert, sondern reduziert auch die Diffusionslimitierung, was sich in einer gesteigerten Ratenleistung widerspiegelt. Anhand der Ergebnisse von Yanev et al. konnten weitere Erkenntnisse erzielt werden, wie man das Leistungsniveau von Festkörperbatterien näher an praktische Anforderungen bzw. Ziele bringen kann. [5]

POTENTIALE:

Die verwendeten Analysenmethoden dieser Studie liefern ein besseres Verständnis für die Ratenperformance von Festkörperzellen mit Verbundkathoden und stellen einen Verbesserungsansatz dar, Festkörperbatterien in Richtung praktischer Anwendung voranzutreiben.

HERAUSFORDERUNGEN:

Durch die Vorkonditionierung des Festelektrolyten wird ein weiterer Prozess- oder Aufbereitungsschritt in den Aufbau von Festkörperbatterien eingeführt, was die spätere Überführung sowie Umsetzung der Produktion in großtechnischen Maßstab erschweren wird.

In der bestehenden Literatur werden hohe Energiedichten in Festkörperbatterien häufig mittels kobalthaltigen Kathodenmaterialien bzw. hochenergetischen Lithiummetallanoden vorgestellt, was aus Sicht der begrenzten Ressourcenverfügbarkeit des Kobalts sowie des geringen Stabilitätsfensters des Argyroditen-Elektrolyten gegenüber Lithium nicht zielführend ist. [6]

In der Studie von Brow et al. (National Renewable Energy Laboratory, USA) wird ein neues Zellkonzept für sulfidbasierte Festkörperbatterien präsentiert, indem eine kobaltfreie Lithium-Nickel-Mangan-Aluminiumoxid (LiNi_0,9Mn_0,05Al_0,05O₂, NMA) mit hoher Beladung (~5mAh cm^-2) gegen eine 99 Gew.%ige Siliziumdünnschichtelektrode verbaut wurde. Es konnten bei Raumtemperatur Entladekapazitäten >210 mAh g_NMA^-1 (C/2O) bzw. >175 mAh g_NMA^-1 (C/4) demonstriert werden. Mit Hilfe von diversen Analysenmethoden konnte festgestellt werden, dass Li₂CO₃ auf der NMA- und Argyrodit-Oberfläche als Quelle für den sauerstoffbedingten Abbau des Festelektrolyten verantwortlich ist. Darüber hinaus führt der hohe Zellstapeldruck von 350 MPa zur Herstellung des Katholyten dazu, dass die Aktivmaterialpartikel teilweise zerbrachen bzw. pulverisierten. Mit diesem Forschungsartikel hat die Arbeitsgruppe von Colclasure nicht nur ein neues Vollzellkonzept (NMA vs. Silizium) präsentiert, sondern zum ersten Mal den Einfluss von Sauerstoffverunreinigung in Form von Carbonat-Anion auf die Festelektrolytdegradation beschrieben. [6]

POTENTIALE:

Mit Hilfe des neue Zellkonzepts, bestehend aus NMA-Kathode und Dünnschichtsiliziumanode, können Festkörperzellen mit hoher Energiedichte entwickelt werden, ohne auf kritische oder sicherheitsrelevante Elemente zurückgreifen zu müssen.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die teilweise hohen Herstellungsdrücke im Pelletaufbau von Laborzellen führen zu Beschädigungen des Kathodenmaterials, woraus ein deutlicher Kapazitätsabfall resultiert. Daher muss ein optimierter Druckbereich für die höchstmögliche Kontaktfläche zwischen Aktivmaterial und Festelektrolyten gefunden werden, der sich zukünftig auch auf größere Zellformate (z. B. Pouchzellen) übertragen lässt.

Signifikanz von Qualitätssicherung in der Batterieproduktion

Der Einsatz von Batterien zur Elektrifizierung vieler Bereiche unserer modernen Welt ist das Rückgrat der Energiewende, weg von endlichen fossilen Brennstoffen, hin zu einer zirkulären Wirtschaft basierend auf erneuerbaren Energien.

Eine Grundlage für die Verwendung von Batterien in einem solchen Energiekreislauf ist das Erreichen eines energetischen- und CO₂– neutralen Status der Batterie: Hierbei wird die Batterie so oft mit „grünem“ Strom beladen, wie für Ihre eigene Produktion benötigt wurde. Nur wenn dieser Punkt erreicht wird, ist die Verwendung von Strom und Batterien ein Gewinn gegenüber der Verwendung von fossilen Energieträgern.

In einer Veröffentlichung von 2023 [7], analysierten Degen et al. die heutigen Zellproduktion und bestimmten die Energiewerte für die Produktion von 1 kWh Batteriezellen mit 20 – 40 kWh je nach verarbeiteter Batteriechemie. Dies heißt, dass nach dem 40. Ladevorgang einer Batterie der energetische neutrale Punkt erreicht ist.

Kalkulierte Werte wie diese gehen jedoch oft von einem 100-prozentigem Produktionserfolg mit 0% Ausschuss aus. Bei einer Ausschussrate >0% müssen funktionierende Batteriezellen die verbrauchte Produktionsenergie der nicht-funktionellen Batteriezellen ebenfalls erbringen, was zu einer Verschiebung des energetisch neutralen Punktes nach hinten führt.

Die Ausschussrate ist somit eine wichtige Kennzahl für die Batterieproduktion und somit auch für die Energiewende. Die exakte Ausschussrate wird von Batteriezellherstellern selten direkt kommuniziert und ist auch nicht exakt definiert. Somit ist eine gesicherte Angabe der Ausschussraten nicht möglich, wird aber landläufig mit >15% angenommen.

Eine Reduktion der Ausschussrate, und somit die Verbesserung der Qualität, ist somit aber auch ein effektiver Weg, um die Energiewende voranzubringen und nebenbei die Kosten der Batterieproduktion zu reduzieren. Hierfür ist es wichtig die größten möglichen Fehlerquellen innerhalb der Batteriezellfertigung zu identifizieren und die häufigsten Fehlerbilder zu diskutieren.

POTENTIALE:

Durch eine Erhöhung der Produktionsqualität können sowohl die Kosten der Batteriezellproduktion verringert als auch das Erreichen des energetisch neutralen Punktes einer Batteriezelle beschleunigt werden.

HERAUSFORDERUNGEN:

Eine genaue Definition und somit genaue Festsetzung von Ausschussraten gibt es nicht. Somit ist auch die Einordnung von Fehlerbildern und deren Einfluss auf die Batterieproduktionskosten aktuell nicht eindeutig bestimmt.

Zur Veranschaulichung der Produktionsschritte mit dem höchsten Einfluss auf die Ausschussraten und somit übergeordnete Qualität der gesamten batteriezellproduktion hat die Fraunhofer FFB auf der Internetseite battery-technology.net eine „Heatmap of Quality“ erstellt (siehe Abbildung 1).

Anhand dieser und in Verbindung mit Publikationen von Kehrer et al. [8] und Nelson et al. [9] kann man ablesen, dass drei Prozessschritte besonders qualitätsentscheidend sind: Das „Dosieren und Mischen“, das „Beschichten und Trocknen“ und die Batterieassemblierung. In diesen drei Prozessschritten kann es jeweils zu Ausschraten von 7,8 – 10% kommen. Im Folgenden solle die Qualitätsmerkmale dieser drei kritischen Prozessschritte erläutert werden. Die einzelnen Fehlerbilder und deren Einfluss wird im anschließenden Abschnitt besprochen.

Darstellung des Batterieproduktionsprozess inkl. einer Einordnung in einen hohen (engl. High) oder niedrigen (engl. Low) relativen Einfluss auf die Qualität der Batteriezellproduktion.

Beim Prozessschritt des „Dosieren und Mischens“ kommt es auf eine hohe Reinheit und Genauigkeit des Dosierens an. Zum einen wird hier die Grundlage für die zu produzierende Batteriezelle gelegt und somit wären Ungenauigkeiten und Verunreinigungen an dieser Stelle fatal für das finale Produkt.

Beim Mischprozess spielen die Faktoren Reinheit, Viskosität, Suspensions- und Rußagglomeratdichte, Feststoffgehalt und vor allem Homogenität eine entscheidende Rolle. Da man versucht möglichst wenig Lösungsmittel, wie das hochgiftige N-Methyl-2-pyrrolidon) (NMP) zu verwenden, welches in einem Folgeschritt wieder entfernt werden muss, versuchen Zellhersteller den Balanceakt gerade genug Lösungsmittel für eine idealen Mischprozess zu verwenden.

Beim Prozess des Beschichtens wird der gemischte Elektroden-Slurry auf die Stromsammlerfolie aufgebracht. Hierbei kommt es vor allem auf eine Fehlerfreie, homogene fehlerfreie Beschichtung, mit gleichbleibender Dicke und Kantengeometrie an. Ebenso muss das Material stabil an der Metalloberfläche der Stromsammler haften und darf nicht verlaufen. Dies ist eine besondere Herausforderung beim Simultanen beschichten der Vorder- und Rückseite der Stromsammlerfolie.

Beim Trocknen wird nun das Lösungsmittel aus dem Mischprozess wieder der Elektrode entzogen. Durch die Ausdehnung des Lösungsmittels zu einem Gas darf sich nicht die Oberflächenstruktur und Dicke der Elektrode verändern, aber gleichzeitig auch keine signifikante Restfeuchte in der Elektrode verbleiben. Ist der Prozess nicht schnell genug kann es darüber hinaus zu Inhomogenitäten innerhalb der aufgebrachten Elektrodenpaste kommen, wenn schwerere Komponenten „nach unten“ sinken.

Im Schritt der Assemblierung werden die Elektroden (Kathode und Anode) sowie der Separator zu einem „Zellstapel“ zusammengefügt. Hierbei kommt es auf eine möglichst exakte Überlappung der Anoden und Kathodenflächen im final verbundenen Zellstapel an. Die verschiedenen Herausforderungen dieses Prozesses wurden im Detail von Weinmann im Jahr 2022 beschrieben [10].

POTENTIALE:

Die Batteriezellproduktionsprozessschritte des Dosierens und Mischens, Beschichten und Trocknen und der Zellassemblierung haben aktuell noch signifikante Spielräume für Verbesserungen, um die Qualität der gesamten Produktion zu erhöhen und die Kosten jeder einzelnen Batteriezelle zu senken.

HERAUSFORDERUNGEN:

Neben der Qualitativen Verbesserung der einzelnen Prozessschritte strebt die Industrie eine immer noch schnellere Produktion der Batteriezellen an. Diese beiden Aspekte unter einen Hut zu bringen und somit eine hohe Performance und Sicherheit des finalen Produktes zu gewährleisten, stellt enorme Herausforderungen dar.

m Folgenden werden die einzelnen Fehlerbilder des Dosierens und Mischens, des Beschichten und Trocknens, sowie der Assemblierung besprochen. [11-17]

Während des Dosierens und Mischens des Elektroden-Slurrys kann es zu einer Vielzahl an Fehlerbildern kommen: Es können sich Feststoffagglomerate bilden, welche unteranderem die Prozessierbarkeit des Elektroden-Slurrys einschränken. Andererseits kann es auch durch zu hohe Scherkräfte im Mischer zu einer Zerstörung von

Primärpartikeln kommen, welche die finale Zellperformance beeinträchtigen. Sedimentation, das Ablagern schwerer Komponenten am „Boden“ des Slurrys kann sowohl die Performance als auch die mechanische Integrität der Elektrode beeinflussen. Ein nicht ordnungsgemäßer Vakuumierschritt nach dem Mischen kann auch zu Luftblasen führen, welche folgend die Homogenität der Elektrodenschicht nach dem Beschichtungsprozess beeinflusst. Zum Abschluss ist an dieser Stelle die Einbringung von Verunreinigungen zu nennen, welche signifikanten Einfluss auf Batterieperformance und Lebenszeit haben und sogar ein signifikantes Sicherheitsrisiko sein können.

Die schon angesprochenen Feststoffagglomerate stellen auch ein Problem für den Beschichtungsprozess da, und können aufgrund sogar zu Anlagenschäden nachfolgender Prozessschritte führen. Daneben beeinträchtigen Fehlerbilder wie unbeschichtete Flächen, Streifenbildung, Löcher und Vertiefungen (z. B. durch Luftblasen) die gewünschte Homogenität, welche für eine deale Performance und Langlebigkeit der Batterie entscheidend sind. So kann eine unterschiedliche Dicke der Elektrodenbeschichtung zu unterschiedlicher Porosität der finalen Elektrode führen, was wiederum Sicherheitskritische Aspekte wie Dendrit-Bildung begünstigen kann. Auch eine dickere Beschichtung an den Rändern der Elektrode kann zu signifikanten Problemen beim Elektrodenstapeln führen, wenn >50 Elektroden übereinandergelegt werden.

Bei der Zellassemblierung kommt es zumeist auf eine exakte Positionierung der Elektroden an. Dies ist besonders problematisch beim Einzel-Blatt-Stapeln (single sheet stacking) für größere Zellformate im Pouch und Prismatischen Zellformat, z. B. für-E-Autos. Verschobene Blätter können ebenfalls zu inhomogenen Lithium-Ionen-Strömen innerhalb der Batteriezelle führen, was wiederum Implikationen für sicherheitsrelevante Aspekte wie die Dendrit Formierung hat.

POTENTIALE:

Die Vielfältigkeit an Fehlerbildern in den drei anfälligsten Produktionsschritten ermöglicht viel Potential für Innovationen zur Qualitätssicherung.

HERAUSFORDERUNGEN:

In einer sehr verknüpften Produktionskette wie der Batteriezellproduktion, darf die gezielte Elimination eines Fehlerbildes nicht zur Verschlimmerung bestehender oder dem Auftreten neuer Fehlerbilder führen.

In der Fertigung von Batterieelektroden gewinnt die automatisierte Defekterkennung zunehmend an Bedeutung. Das Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe präsentiert eine Methode zur automatisierten visuellen Defekterkennung bei der Herstellung von Batterieelektroden. [18] Durch die Anwendung der YOLOv5-Architektur, einem neuronalen Netzwerk zur Objekterkennung, werden mechanische Defekte auf beschichteten Elektroden in Echtzeit erkannt. Dabei liegt der Fokus auf Defekten, die durch den Beschichtungs- und Kalandrier-Prozess verursacht werden, wie Agglomerate, Blasen oder Kratzer. Die Methode wird in die Prozesskette der Elektrodenfertigung integriert, wodurch die Qualitätskontrolle signifikant verbessert und die Produktionseffizienz gesteigert wird.

POTENTIALE:

Die Anwendung von Deep-Learning-Methoden ermöglicht die Echtzeit-Defekterkennung und kann die Ausschussquote verringern sowie den Produktionsanlauf beschleunigen. Das Verfahren verspricht eine hohe Präzision und eine langfristige Optimierung des Fertigungsprozesses durch die Korrelation von Defekten mit Prozessparametern.

HERAUSFORDERUNGEN:

Eine Herausforderung liegt in der geringen Anzahl an Trainingsbeispielen und der hohen Produktionsgeschwindigkeit von 9 m s^-1, was eine effiziente Datensammlung und ‑verarbeitung erschwert. Zudem erfordert die Implementierung spezialisierte Hardware und fortgeschrittene Deep-Learning-Modelle.

Die Sicherstellung der Qualität in der Produktion von Batteriekomponenten ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von wiederaufladbaren Batterien. [19] Thi-Thu-Huyen Vu und Kollegen von der Kyonggi University haben den Einsatz verschiedener Deep-Learning-Methoden zur automatisierten Erkennung von Kratzern auf der Oberfläche von Mikroverbindern, die in wiederaufladbaren Batterien verwendet werden, untersucht. Die vorgestellte Methode kombiniert Deep Learning, Bildverarbeitungstechniken und statistische Qualitätskontrolle (SQC), um die Effizienz und Genauigkeit des Qualitätsmanagements kontinuierlich zu verbessern. In einer Studie mit einem Datensatz von 1150 Bildern erzielte die Methode eine Genauigkeit von 91% bei der Vorhersage von Kratzern auf Mikroverbindern. Die Integration von SQC ermöglichte es den Produktionsmitarbeitern, die Effizienz der Fertigungslinie besser zu verstehen und entsprechend zu reagieren.

POTENTIALE:

Das System bietet eine fortschrittliche Lösung zur Automatisierung der Qualitätskontrolle, reduziert die Abhängigkeit von menschlichen Prüfern und erhöht die Effizienz und Präzision der Defekterkennung. Außerdem fördert es durch die SQC-Integration eine langfristige Prozessoptimierung in der Batterieproduktion.

HERAUSFORDERUNGEN:

Eine Herausforderung besteht in der Notwendigkeit großer und qualitativ hochwertiger Datensätze, um die Genauigkeit der Deep-Learning-Modelle weiter zu verbessern. Zudem kann die Implementierung in bestehende Produktionslinien kostspielig und technisch anspruchsvoll sein.

In der aktuellen Forschung zur Defekterkennung in Lithiumbatterien wird an verschiedenen Ansätzen gearbeitet. Xinhua Liu und Kollegen von der China University of Mining and Technology haben einen innovativen Ansatz zur Erkennung von Oberflächendefekten bei Lithiumbatterien vorgestellt. [20] Dieser basiert auf einem verbesserten K-nearest Neighbor (KNN) Algorithmus und der Euklidischen Clustering-Segmentierung. Zunächst wird eine Strategie zur Punktfilterung mittels einer verbesserten Voxel-Dichtemethode für KNN eingeführt. Anschließend wird eine optimierte Segmentierung verwendet, um Punktwolken mit Defektmerkmalen zu unterscheiden. Durch ein Umriss-Anpassungsverfahren, das auf der Methode der kleinsten Quadrate basiert, werden geometrische Merkmale jedes Oberflächendefekts zur Klassifizierung der Defekttypen ermittelt. Die Experimente zeigen eine Genauigkeit von 99,2% und eine durchschnittliche Verarbeitungszeit von 35,3 Millisekunden. Diese Methode bietet eine praktische Anwendungsmöglichkeit in der industriellen Produktion von Lithiumbatterien.

POTENTIALE:

Das Verfahren ermöglicht eine präzise und schnelle Erkennung von Oberflächendefekten, was die Qualitätssicherung in der Batteriefertigung verbessert. Es bietet zudem eine Lösung für die Automatisierung in der Batterieproduktion und erhöht dadurch die Effizienz.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die Implementierung erfordert fortschrittliche Bildverarbeitungssysteme und eine genaue Anpassung der Parameter, um die Segmentierung und Erkennung korrekt durchzuführen. Zudem könnte die Komplexität der Methode die Integration in bestehende Produktionslinien erschweren.

Forscher der RWTH Aachen haben sich mithilfe einer Techno-Ökonomischen Bewertung zwei Verfahren (pyromet., hydromet.) angeschaut und miteinander verglichen [21]. Im Fokus stand die technische Effizienz (Rückgewinnung der Materialien) und die wirtschaftliche Rentabilität für das Recycling von Schwarzmasse. Ihr Fazit: beide Verfahren können unter geeigneten Rahmenbedingungen profitabel sein. Material- und Energiepreise sind die Hauptfaktoren für ein rentables Recycling, wobei die Hydrometallurgie weniger anfällig („more robust“) ist für Preisschwankungen und Veränderungen in der Zusammensetzung der Schwarzmasse und daher als langfristig rentabel bewertet wird. Hydromet. ist auch bei weiter sinkendem Cobalt-Gehalt in der Schwarzmasse ökonomisch attraktiver als die Pyrometallurgie. Generell muss sich ein Recyclingverfahren kontinuierlich an neue Batterieentwicklungen anpassen, um stabil und langfristig rentabel zu sein.

POTENTIALE:

In Europa ist die Hydrometallurgie (in unterschiedlichen Ausprägungen) die klar dominierende Recyclingtechnologie für die Aufbereitung von Schwarzmasse [22]. Robuste Prozesse und Verfahren können die industrielle Skalierung unterstützen.

HERAUSFORDERUNGEN:

Neue Materialien und Zellchemien lassen ein Recycling auch schnell unrentabel werden, weshalb eine kontinuierliche Anpassung der Verfahren notwendig ist. Aus einer makroökonomischen Perspektive könnten zusätzliche Anreize/Förderungen hilfreich sein, um bspw. kritische Rohstoffe in einem europäischen Markt zu halten. Der dominante Faktor Energiepreise ist weiterhin in genereller Diskussion für die deutsche und europäische Industrie.

Die Gehäuse von LIBs, die bis zu 24% des Zellgewichts ausmachen können, bestehen oft aus Aluminium oder Stahl und sind wichtige sekundäre Rohstoffquellen. Forscher der TU Bergakademie Freiberg erläutern das mechanische Recycling der Batteriegehäuse anhand eines entwickelten Prozessdiagramms und übertragen dies auf verschiedene Zelltypen (zylindrisch, prismatisch und Pouch-Zellen), deren Gehäusematerialien nach dem Zerkleinern getrennt werden. Aluminium (81-90%) und Stahl (90-97%) besitzen die höchsten Materialanteile an der Masse der gewonnenen Gehäusefraktion, begleitet von Kupfer und Kunststoffen. Der Prozess zur Gewinnung dieser Rohstoffe umfasst dabei sequenziell mechanische Verfahren wie das Zerkleinern, Sieben, optische und Zig-Zag-Luft Sortierung[1] sowie (magnetische) Wirbelstromabscheidung, um die unterschiedlichen Materialien zu separieren. Das Ziel ist es, durch die Kombination individueller Sortierschritte diese in einen Prozessablauf für das Gehäuserecycling zu führen, um die Konzentration von Aluminium, und insbesondere Kupfer bzgl. der erforderlichen Recyclingeffizienz aus der EU-Batterieregulierung von 2023, zu erhöhen. [24]

POTENTIALE:

Parallel zu den genannten Technologien könnten etablierte Methoden der Schrottverarbeitung, wie sensorgestützte Sortierung, Lufttrenntische oder Rütteltische, für das Gehäuserecycling angepasst werden. Das mechanische Recyclingverfahren hilft, Materialien rückzugewinnen, die andernfalls in einem pyrometallurgischen Prozess sonst verloren gehen und erschwert zurückgewonnen werden können.

HERAUSFORDERUNGEN:

Unterschiedliche Zelltypen besitzen anteilsmäßig unterschiedliche, dominierende Materialkomponenten, bspw. Prismatische Zellen mit Aluminium als dominierender Materialanteil im Gehäuse.

[1] Siehe dazu auch Kaas et al. [23]

Gleichwohl Solid-State-Batterien (SSB) (noch) nicht ihren Marktdurchbruch geschafft haben, arbeiten Forscher an effizienten Methoden, um SSBs zukünftig recyclen zu können. Gängige Methoden im Batterierecycling vernachlässigen bislang die effektive Rückgewinnung insbesondere der Elektrolyte. Ahuis et al. [25] vom IPT / BLB der TU Braunschweig betrachten in einem Review aktuelle Methoden zur Materialrückgewinnung von SSBs sowie die Rekonditionierung der Festelektrolyte mit Blick auf das Direkte Recycling. Insbesondere die hohe Haftung der Komponenten erschwert die Demontage von Polymer-SSBs bis auf Elektrodenebene. Die hohen Temperaturen im Pyrometallurgischen Verfahren zersetzen die Polymere und Leitsalze, was zu niedrigen Recyclingraten führt und mit Blick auf die Rückgewinnung der Festelektrolyte nicht vorteilhaft ist. Das Recycling in einer einzigen Recyclinganlage, trotz der sehr unterschiedlichen SSB-Typen (z. B. Sulfid-, Oxid-, Polymer-Elektrolyte) [26], ist denkbar, erfordert jedoch starke Aufmerksamkeit für eine sichere Verarbeitung. Sinnvoller ist es jedoch, die verschiedenen Arten von SSBs vor dem Recycling zu trennen, um eine höhere Reinheit und Ausbeute auf Materialebene zu gewährleisten. Zum Beispiel können Materialien von polymeren SSBs effizient mit mechanisch-hydrometallurgischer Verarbeitung und anschließender Resynthese des Polymers zurückgewonnen werden. Im Fall von oxidischen SSBs scheint eine Trockenverarbeitung ähnlich der für herkömmliche LIBs machbar und vorteilhaft zu sein. Im Gegensatz dazu ist eine wasserfreie Umgebung für das Recycling von sulfidischen Festelektrolyten unerlässlich, die über geeignete lösungsmittelbasierte (Re-)Synthesewege zurückgewonnen werden können.

POTENTIALE:

Erhöhung der Materialrückgewinnung und das Mitdenken einer Kreislaufwirtschaft von Beginn an.

HERAUSFORDERUNGEN:

SSBs diversifizieren den Batteriemarkt weiter (analog der Vielseiten LIB-Technologien), weshalb es auch flexible und multi-Stream Recyclingprozesse bedarf, um neben der Materialrückgewinnung auch die Umweltbelastung zu Reduzieren und geschlossene Materialkreisläufe zu ermöglichen.

Forscher der TU Darmstadt und der EnBW Energie GmbH haben in einem umfassenden Review-Artikel das Recycling und die Aufbereitung von Graphit aus Batterien angeschaut [27]. Sie stellen fest: Graphit aus Altbatterien bietet einen ökologischen und wirtschaftlichen Vorteil, da es weiterhin eine hohe Reinheit hat und der energieintensive Graphitisierungsprozess (bei >1500°C) entfällt. Zudem wird durch das Recycling die Abhängigkeit von natürlichem Graphit verringert[1]. Der steigende Bedarf an Elektrofahrzeugen wird die Menge an ausrangierten Batterien und damit auch Graphitabfällen in den kommenden Jahren erheblich erhöhen. Obwohl sich das Recycling bisher auf die Rückgewinnung wertvoller Metalle aus den Kathoden konzentriert hat, wird erwartet, dass zukünftig auch die Wiederverwertung von Graphit an Bedeutung gewinnt. Eine Graphit-Recyclingrate von 35% scheint möglich und kann wieder als Elektrodenmaterial eingesetzt oder als Graphen weiterentwickelt werden. Für ein wirtschaftliches und ökologisches Recycling adressieren die Forscher weitestgehend die gleichen Aspekte, wie zuletzt ein Paper dazu der TU Braunschweig (vgl. TraWeBa Summary Briefing Q2 2023)[2]: robotergestützte Demontagesysteme zur besseren Trennung von passiven wie Kathoden- und Anodenkomponenten und weiterentwickelte hydrometallurgische Prozesse zur Graphit-Rückgewinnung.

Wie gut recycletes Graphit erneut in Batterien funktioniert, zeigt die Arbeit von Olutogun et al. [29]. Das durch Froth Flotation (vgl. TraWeBa Summary Briefing Q2 2023)3 zurückgewonnene Graphit zeigt weder in einer Halbzelle eingebracht noch einer NMC Vollzelle Auffälligkeiten in der Performanz. Dabei ist die Zyklenstabilität vergleichbar mit Referenzzellen mit kommerziell verfügbarem Graphit (80% Kapazität nach 1000 Zyklen) und auch die Materialstruktur und Morphologie unterscheiden sich kaum zwischen natürlichem und recyceltem Graphit. Trotz kleineren Verunreinigungen bietet das recycelte Graphit eine reversible spezifische Kapazität von über 350 mAh g^-1.

[1] Aus China kommt über 80% des Graphits, das für LIBs verwendet wird. [28]

[2] siehe https://traweba.de/wp-content/uploads/2023/09/Summary_Briefing_TraWeBa_Q2.pdf

POTENTIALE:

Graphit macht bis zu 20% der Masse einer LIB aus und liegt in der Anode in hoher Reinheit vor. Recyceltes Graphit schont die Ressourcen und trägt damit zu mehr Nachhaltigkeit und Umweltschutz bei, da es auch abseits der LIB in andere Produkte eingebracht werden kann.

HERAUSFORDERUNGEN:

Die Trennung von Graphit aus der Schwarzmasse sollte von Anfang an des Recyclingprozesses beachtet werden, um eine effiziente und skalierfähige Rückgewinnung zu ermöglichen. Graphitrecycling hat aber weiterhin einen eher geringen wirtschaftlichen Anreiz (im Vergleich z.B. zu Cobalt oder Nickel) und steht auch in der politischen Diskussion abseits der Kathodenaktivmaterialien.

Das direkte Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere von Kathodenmaterialien (CAMs), wird als effizienteste Recyclingmethode betrachtet, da es ermöglicht, gealtertes CAM, ohne vollständige Trennung in seine Bestandteile, wiederherzustellen. In einer Studie [30] des MEET in Münster wurde das Kathodenmaterial aus verbrauchten LIBs durch einen Prozess rekonstruiert, der die Bedingungen der ursprünglichen Herstellung nachahmt. Dabei wurde festgestellt, dass die spezifische Oberfläche, der Lithiumgehalt und die Kristallstruktur wiederhergestellt werden konnten, jedoch die Partikelgröße und -form nur teilweise.

Trotz erfolgreicher Wiederherstellung zeigt sich, dass hohe Temperaturen im Recyclingprozess zu Herausforderungen führen, wie etwa einer erhöhten Ionen-Vermischung und nanoskopischer Porosität, was zu einer Abnahme der Stabilität des Materials führt. Dies resultiert in einem anfänglichen Leistungsniveau, das mit dem ursprünglichen Material vergleichbar ist, jedoch nach etwa 100 Ladezyklen zu einem Kapazitätsverlust führt. Die Studie identifiziert die Hochtemperaturbehandlung und deren Dauer als zentrale Herausforderung, da sie unerwünschte Effekte wie Oberflächenverunreinigungen und die Degradation des Materials verstärkt. Die Optimierung dieser Prozesse bleibt ein Forschungsschwerpunkt, um die Langlebigkeit des recycelten Materials zu verbessern.

POTENTIALE:

Das eingesetzte direkte Recyclingverfahren (Demontage, Ablösung der Kathodenbeschichtung von der Al-Folie, zentrifugiertes CAM-Pulver und dessen Re-Lithiierung unter hoher Temperatur bei unterschiedlicher Dauer) imitiert die ursprüngliche Synthese von unbehandelten NCMs und ist daher potenziell für industrielle Herstellungsprozesse geeignet.

HERAUSFORDERUNGEN:

Allerdings muss weiter die Zykluslebensdauer genauer untersucht und andere Methoden der Re-Lithiierung in Betracht gezogen werden, da die thermische Behandlung schädliche Nebeneffekte auslöst, zum Beispiel Oberflächenverunreinigungen durch Restruß und nanoskopische Porosität, das Instabilität der Kathode zur Folge hat.

Obwohl das Batterierecycling technisch machbar ist, wird es u.a. durch ineffiziente Verfahren und hohe Umweltauswirkungen erschwert. Das direkte Recycling, bei dem der Energieverbrauch und Abfall als gering gilt, wird als ideal für die Kreislaufwirtschaft betrachtet, ist jedoch für großflächige Anwendungen noch wenig attraktiv oder technologisch ausgereift. In einer aktuellen Studie des ZSW [31] wird das direkte Recycling von NCM622 und Graphit aus alten Batterien demonstriert. Die recycelten Materialien wurden erfolgreich in neuen Batterien validiert. Sowohl die Anode als auch die Kathode werden mit hoher Effizienz recycelt, ohne giftige Lösungsmittel zu verwenden. Sowohl für die Kathodenmasse als auch die Anodenmasse wird ein sechstufiges, lösungsmittelfreies Verfahren angewandt, das u.a. das Auswaschen der Massen mit Wasser und DMC, die Separation vom Stromableiter (thermisch und mechanisch) und eine thermische Behandlung zur Re-Lithiierung/Regenerierung beinhaltet. Die neuen Zellen mit recycelten Materialien zeigen eine vielversprechende elektrochemische Leistung, die mit kommerziellen Materialien vergleichbar ist (u. a. 95% der Kapazität von CAM und AAM erreicht). Der direkte Recyclingprozess erreicht eine Effizienz von 75% der Gesamtmasse aller Metalle und kann mit weiterer Optimierung verbessert werden. Die Forscher sehen in dem Verfahren eine Grundlage für die industrielle Skalierung, da die Ergebnisse für unterschiedlichen Materialquellen gut reproduziert werden konnte.

POTENTIALE:

Der mehrstufige Prozess wird mit mehreren Analyseverfahren begleitet, die wiederum gut für eine Skalierung des Gesamtverfahrens geeignet sind. Die Durchführung des Verfahrens zeigt auch, wie Graphit zurückgewonnen werden kann, was bisher untypisch ist im pyro- oder hydrometallurgischen Prozess.

HERAUSFORDERUNGEN:

Zu Beginn wird die Zelle geöffnet und dabei werden händisch die Kathode und Anode voneinander getrennt. Desweiteren soll die thermische Behandlung in einer nachfolgenden Untersuchung genauer betrachtet werden, dessen Einfluss auch die Forscher des MEET bereits adressiert haben, siehe zuvor [30].

In einer Arbeit am MVM des KIT wird ein zweistufiges Verfahren vorgestellt, um Graphit und Leitruß aus den beschichteten Elektroden wasserbasiert zu recyceln und für die Herstellung neuer negativer Elektroden zu nutzen [32]. Zunächst werden die Elektroden in einem Ultraschallbad entschichtet, gefolgt von einer Querstromfiltration, um das Wasser zu entfernen und eine Aufkonzentration und damit Verdickung der Elektrodensuspension zu erreichen. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Frequenz von 29 kHz bis über 95% der Elektrodenfolie entschichten kann, wenn das Ultraschallbad bereits über 30% eingedickt ist. Bei niedrigen Drehzahlen wird in der Querstromfiltration durch das Leitruß eine zusätzliche Filterschicht an der Membran zurückgehalten, die Geschwindigkeit wird im Verlauf der Eindickung erhöht. Hohe Rotordrehzahlen bei der Filtration verringern wiederum den Filterwiderstand für eine potenziell größtmögliche Rückgewinnung der Elektrodenpaste. Die recycelten Pasten weisen eine ähnliche Haftkraft zu den Referenzpasten auf, obwohl mechanische und chemische Einflüsse, wie die Zerstörung bzw. Verlust des CMC (Anodenbinder), die Materialeigenschaften beeinflussen.

POTENTIALE:

Die Umsetzung im technischen Maßstab zeigt, dass eine negative Elektrodenpaste aus 100%igem Recyclingmaterial gewonnen werden kann. In einem nächsten Schritt soll die elektrochemische Leistung der recycelten Elektrodenpaste aus Graphit genauer untersucht werden.

HERAUSFORDERUNGEN:

Um eine möglichst unverfälschte Rezyklatpaste herzustellen, gilt, die Einwirkungszeit des Ultraschalls auf das Partikelsystem zu minimieren. Dies steht zunächst im Widerspruch zu der Idee, das Ultraschallbad als Verdicker zu verwenden. Wenn das Ziel des Recyclings jedoch nicht darin besteht, alle Stoffe zurückzugewinnen, kann die Zersetzung des CMC durch Ultraschall in Kauf genommen werden (und anschließend auch wieder neu dem Rezyklat Slurry zugeführt werden).

Der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen hat gemeinsam mit dem Unternehmen Henkel eine Analyse zur Optimierung des Lebenszyklus von Elektrofahrzeugbatterien durchgeführt. [33] Dabei wurde untersucht, inwiefern Emissions- und Kostenvorteile entstehen, wenn Elektrofahrzeugbatterien repariert werden, anstatt sie bei Ausfällen oder Unfällen vollständig durch neue Akkus zu ersetzen. Die mit der Reparatur verbundenen Kostenpunkte definierten das PEM und Henkel als die manuelle Demontage und Wiederzusammenbau der Packkomponenten, die Integration neu eingebauter Module und die Nutzung reparaturspezifischer Produkte.

Im Vergleich zum Austausch gegen ein neues Batteriepack zeigt sich, dass der Austausch einzelner Module eines durchschnittlichen Elektrofahrzeug-Batteriepakets bis zu 77% der Kosten und bis zu 91% der CO₂-Emissionen einsparen kann. Laut der Analyse sei die Reparatur durch Modulaustausch für 80% der Batterielebenszeit ökonomisch und ökologisch vorteilhafter. Bei einer angenommenen Batterielebensdauer von 12 Jahren oder 200.000 km wären dies also die ersten 9,6 Jahre bzw. 160.000 km.

Dies gilt damit für Elektrofahrzeughersteller vor allem während der Garantiezeit, könnte aber nach Ablauf der Garantie auch für Fahrzeugbesitzende eine lohnende Option darstellen.

POTENTIALE:

Der beschriebene Reparaturansatz kann zu einer potenziellen Verringerung der Umweltbelastung durch die Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien führen, indem Treibhausgasemissionen und Ressourcennutzung reduziert werden. Ökonomisch betrachtet schafft die Reparatur von Elektrofahrzeugbatterien neue Einnahmequellen in der Elektrofahrzeugindustrie, etwa durch Rohstoffrecycling oder das Angebot von Reparaturdienstleistungen.

HERAUSFORDERUNGEN:

Das Verkleben von Batteriepacks sowie der Trend zu Cell-to-X-Architekturen (CTX) erschweren derzeit und möglicherweise zukünftig die Reparierbarkeit von Elektrofahrzeugbatterien. CTX bezeichnet die direkte Nutzung von Batteriezellen in verschiedenen Anwendungen, anstatt sie in standardisierten Batteriepack-Konfigurationen zu verwenden. Konkret auf die Elektrofahrzeuganwendung bezogen bedeutet dies die direkte Integration von Batteriezellen oder Modulen in die strukturellen Elemente des Fahrzeugs. Dieser Ansatz erhöht die Komplexität des Batteriedesigns sowie der Verbindungen zwischen Zellen und anderen Batteriekomponenten. Zudem können die gegenüber standardisierten Batteriepacks spezialisierten Designs die Verfügbarkeit von Ersatzteilen einschränken. Zusammengefasst können CTX-Ansätze somit eine schnelle Demontage und den Wiederzusammenbau, ohne die Integrität des Systems zu beeinträchtigen, signifikant erschweren.

Eine weitere Herausforderung betrifft die Konsumentenakzeptanz von Batteriereparaturen nach Ablauf der Garantiezeit. Hierzu zeigte eine jüngere Umfrage des Lehrstuhls für Industrielle Produktion (IIP) am KIT mit 837 Teilnehmer aus Deutschland [34], dass Konsumenten vor allem auf die zu erwartende Batterielebensdauer und die Kosten einer Batteriereparatur Wert legen. Ökologische Gesichtspunkte spielten eine untergeordnete Rolle für deren Entscheidung für oder gegen eine Reparatur.

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[33] EM-Forschungsgruppe „Circular Economy & Materials“, E-Mobilität: PEM und Henkel offenbaren Vorteile der Batterie-Reparatur, Pressemitteilung, 25.06.2024, zu finden unter: https://www.pem.rwth-aachen.de (letzter Aufruf: 30.09.2024)
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